七、二次诱导函数—— 加速度——高次诱导函数(1 / 1)

数学上的一切法则,都有一个应当留意到的特性,就是无论什么法则,在它成立的时候,使用的范围虽然有一定的限制,但我们也可尝试一下,将它扩充出去,用到一切的数或一切的已知函数。我们可将它和别的法则联合起来,使它能够产生更大的效果。

呵!这又是一段“且夫天下之人”一流的空话了,还是举例吧。

在算术里面,学了加法,就学减法,但是它真小气得很,只允许你从一个数当中减去一个较小的数,因此有时就免不了要碰壁。比如从一斤中减去八两,你立刻就回答得出来,还剩半斤。但是要从半斤中减去十六两,你还有什么法子?碰了壁就完了吗?人总是不服气的,越是触霉头,越想往那中间钻。除非你是懒得动弹的大少爷,或是没有力气的大小姐,碰了壁就此罢手!那么,在这碰壁的当儿,额角是碰痛了,痛定思痛,总得找条出路。从半斤中减去十六两怎么减呢?我们发狠一想,便有两条路:一条无妨说它是“大马路”,因为人人会走,特别是大少爷和大小姐喜欢去散步。这是什么?其实只是一条不是路的路,我们干干脆脆地回答三个字“不可能”。你已说不可能了,谁还会再为难你呢,这不是就是不了了之了吗?然而,仔细一想,朋友,不客气说,咱们这些享有四千多年文化的黄帝的子孙,现在弄得焦头烂额,衣食都不能自给,就是上了这不了了之的当。“不可能!不可能!”老是这样叫着,要自己动手,推脱是不行的。连别人明明已经做出的,初听见乍看着,因为怕动脑,也还说不可能。见了火车,有人和你说,已经有人发明了可以在空中飞的东西,你心里会想到“这不可能”;见了一根一根搭在空中的电线,别人和你说,现在已有不要线的电报、电话了,你心里也会想到“这不可能”……朋友!什么是可能的呢?请你回答我!你不愿意答应吗?我替你回答: “老祖宗传下来的,别人做现成的,都可能。此外,那就要看别人,和别人的少爷、小姐,好少爷、好小姐们了!”呵!多么大气量!

对不起,笔一溜,说了不少废话,而且也许还很失敬,不过我还得声明一句,目的只有一个,希望我们不要无论想到什么地方都只往“大马路”上靠,我们的路是第二条。

我们从半斤中减去十六两碰了壁,我们硬不服,创造出一个负数的户头来记这笔苦账,这就是说,将减法的定义扩充到正负两种数。不是吗?你欠别人十六两高粱酒,他来向你讨,偏偏不凑巧你只有半斤,你要还清他,不是差八两吗?“差”的就是负数了!

法则的扩充,还有一条路。因为我们将一个法则的限制打破,只是让它能够活动的范围扩大起来。但除此以外,有时,我们又要求它能够简单些,少消耗我们一点儿力量,让我们在其他方面也去活动活动。举个例子说,一种法则若是要重复地运用,我们也可以想一个方法来代替它。比如,从150中减去3,减了一次又一次,多少次可以减完?这题目自然是可能的,但真要去减谁有这样的耐心!没趣得很,是不是?于是我们就另开辟一条行人便道,那便是除法。将3去除150就得50。要回答上面的问题,你说多少次可减完?同样地,加法,若只是同一个数尽管加了又加,也乏味得很,又另开辟一条路,挂块牌子叫乘法。

话说回来,我们以前讲过的一些方法,也可以扩充它的应用范围吗?也可以将它的法则推广吗?

讲诱导函数的时候,我们限定了对于x的每一个值,都有一个固定的极限。所以,我们就知道,对于x的每一个值,它都有一个相应的值。归根结底,我们便可以将诱导函数y′看成x的已知函数。结果,一样地,也就可以计算诱导函数y′对于x的诱导函数,这就成为诱导函数的诱导函数了。我们叫它二次诱导函数,用y″表示。

其实,要得出一个函数的二次诱导函数,并不是难事,将诱导函数法连用两次就好了,比如前面我们拿来做例的:

它的诱导函数是:

将这个函数,照d = 5t的例计算,就可得出二次诱导函数:

二次诱导函数对于一次诱导函数的关系,恰和一次诱导函数对于本来的函数的关系相同。一次诱导函数表示本来的函数的变化,同样地,二次诱导函数就表示一次诱导函数的变化。

我们开始讲诱导函数时,用运动来做例,现在再重借它来解释二次诱导函数,看看能不能衍生出什么玩意儿。

我们曾经从运动中看出来,一次诱导函数是表示每一刹那间一个点的速度。所谓速度的变化究竟是什么意思呢?假如一个东西,第一秒钟的速度是4米,第二秒钟是6米,第三秒钟是8米,这速度越来越大,按我们平常的说法,就是它越动越快。若是说得文气一点,便是它的速度逐渐增加,你不要把“增加”这个词看得太呆板了,所谓增加也就是变化的意思。所以速度的变化,就只是运动的速度的增加,我们便说它是那运动的“加速度”。

要想求出一个运动着的点在一刹那间的加速度,只需将从前我们所用过的求一刹那间的速度的方法,重复用一次就行了。不过,在第二次的时候,有一点必须加以注意:第一次我们求的是距离对于时间的诱导函数,而第二次所求的却是速度对于时间的诱导函数。结果,所谓加速度这个东西,便等于速度对于时间的诱导函数。我们可以用下面的一个式子来表示这种关系:

因为速度是用运动所经过的空间对于时间的诱导函数来表示,所以加速度也只是这运动所经过的空间对于时间的二次诱导函数。

有了一次和二次诱导函数,应用它们,对于运动的情形我们更能知道得清楚些,它的速度的变化是怎样一个情景,我们便可完全明了。

假如一个点始终是静止的,那么它的速度便是零,于是一次诱导函数也就等于零。

反过来,假如一次诱导函数,或是说速度等于零,我们就可以断定那个点是静止的。

跟着这个推论,比如已经知道了一种运动的法则,我们想要找出这运动着的点归到静止的时间,只要找出什么时候,它的一次诱导函数等于零,那就成了。

随便举个例来说,假设有一个点,它的运动法则是:

由以前讲过的例子,t2的诱导函数是2t,而5t的诱导函数是5,所以:

就是这个点的速度,在每一刹那t间是2t–5,若要问这个点什么时候静止,只要找出什么时候它的速度等于零就行了。但是,它的速度就是这运动的一次诱导函数d′。所以若d′等于零时,这个点就是静止的。我们再来看d′怎样才等于零。它既等于2t–5,那么2t–5若等于零,d′也就等于零。因此我们可以进一步来看2t–5等于零需要什么条件。我们试解下面的简单方程式:

解这个方程式的法则,我相信你没有忘掉,所以我只简洁地回答你,这个方程式的根是2.5。假如t是用秒做单位的,那么,便是2.5秒的时候,d′等于零,就是那个点在开始运动2.5秒后归于静止。

现在,我们另外讨论别的问题,假如那点的运动是等速的,那么,一次诱导函数或是说速度,是一个常数。因此,它的加速度,或是说它的速度的变化,便等于零,也就是二次诱导函数等于零。一般的情况,一个常数的诱导函数总是等于零的。

又可以掉过话头来说,假如有一种运动法则,它的二次诱导函数是零,那么它的加速度自然也是零。这就表明它的速度老是一个样子没有什么变化。从这一点,我们可以知道,一个函数,若它的诱导函数是零,它便是一个常数。

再接着推下去,若是加速度或二次诱导函数,不是一个常数,我们又可以看它有什么变化了。要知道它的变化,不必用别的方法,只要找它的诱导函数就行了。这一来,我们得到的却是第三次诱导函数。在一般的情形当中,这第三次诱导函数也不一定就等于零的。假如,它不是一个常数,就可以有诱导函数,这便成第四次的了。照这样尽管可以推下去,不过连续地重复用那诱导函数法罢了。无论第几次的诱导函数,都表示它前一次的函数的变化。

这样看来,关于函数变化的研究是可以穷追下去的。诱导函数不但可以有第二次的、第三次的,简直可以有无限次数的。这全看那些数的气量如何,只要不是被我们追过几次便板起脸孔,死气沉沉地成了一个常数,我们才可以就此停手。